| Project/Area Number |
23KJ1302
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
韓 恕 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2023-04-25 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,700,000 (Direct Cost: ¥2,700,000)
Fiscal Year 2025: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2024: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2023: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
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| Keywords | ハイエントロピー合金 / 力学特性 / 塑性変形 / 降伏強度 / 脆性-延性遷移 / 変形組織 / 転位 |
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| Outline of Research at the Start |
体心立方(BCC)構造を有するハイ/ミディアムエントロピー合金(H/MEAs)は、従来のBCC材料と異なって高温強度と低温延性が確認された。本研究では、比強度が高いTi-Zr-Nb系BCC-MEAsの多/単結晶試料を用いて、圧縮/引張などの材料試験及び透過電子顕微鏡法により、強度、延性、すべり挙動、微細変形組織などの分析/評価を行うことで、その基礎となる塑性変形機構を解明する。さらに、組成、温度、結晶構造を考慮した第一原理計算の補助によりTi-Zr-Nb系MEAsの力学特性の制御因子を解明し、耐熱構造材料として利用可能なBCC-H/MEAsの合金設計理論を確立するのを目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度の研究では, 典型的な体心立方(BCC)構造を持つハイエントロピー合金(HEA)であるTiZrNbHfTaとVNbMoTaWの力学特性を調査した. 圧縮試験から, 全試験温度においてVNbMoTaWが高い降伏応力を示すが, 温度と降伏応力をそれぞれ, 融点とせん断弾性係数で規格化した強さをみると, TiZrNbHfTaの方が全ての温度域で非常に高くなることがわかった. TiZrNbHfTaが低い温度でも高い延性を示し, 脆性-延性遷移が室温よりも低い温度で生じることが確認された. 電子状態計算により, TiZrNbHfTaはVNbMoTaWよりも大きな格子歪を持っており, 低い弾性係数であるにもかかわらず実験で示されたTiZrNbHfTaの高い強度は, 大きな格子歪によってもたされることが明らかになった. さらに, Ti, Zr, HfなどのHCP元素がこのような格子歪の上昇に寄与することもわかった. 転位構造の直接解析により, TiZrNbHfTaの転位芯は不均質に広がっており, VNbMoTaWと比較すると転位芯エネルギーは明らかに低いことが確認され, その低温においても優れた延性をもつ要因が転位の安定性にあることが明らかになった. このような特性も, 格子歪と同様にHCP元素が引き起こす特性であることが示された. HCP元素の役割とその濃度の影響を解明するために, Ti-Zr-Nb系ミディアムエントロピー合金(MEA)から異なるHCP元素濃度を持つ研究対象を選び, 圧縮試験と透過電子顕微鏡法を用いた研究から, Ti-Zr-Nb合金の降伏強度と変形組織を評価した. HCP元素濃度が高い合金ほど規格化降伏応力が高くなり, 変形組織中のらせん転位と刃状転位の移動度が近づくことが明らかになり, HCP元素濃度-変形組織-強度の相互関係を築いた.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
高い融点を持ち, 超高温用途の新しい合金候補として期待されているTiZrHfNbTaとVNbMoTaWの２つの代表的なBCC-HEAsの降伏強度や延性が全く異なることが報告されているが, その要因はこれまでに解明されていない. 本年度の研究では, 優れた合金設計の指針を得るため, 両者の違いを温度変化を考慮した詳細な実験と原子レベルのシミュレーションから解明した. 実験で TiZrHfNbTaは室温以下の低温でも優れた規格化した降伏強度と延性を示すことが確認された一方, 電子状態計算に基づくシミュレーションにより, TiZrHfNbTaで観察される高い規格化した降伏強度と低温における延性は, Ti, Zr, HfのHCP元素の添加による電子の結合状態に基づく効果によってもたらされることが明らかになった. 実験と電子状態計算の連携を通じて, BCC-HEAsの複雑な力学特性を決める本質を捉えることに成功し, 本知見を生かした元素戦略に基づく合金設計により, より軽量化されたTi-Zr-Nb系ミディアムエントロピー合金のような次世代の高温構造用途に向けた新しい構造材料の開発が期待される.
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は, 典型的な2つの5元系ハイエントロピー合金に関する包括的な調査を完了したことから, 来年度（以降）は, 異なるHCP元素濃度を有する3種のTi-Zr-Nb系ミディアムエントロピー合金の多結晶に焦点を当てる. 転位論に基づき, 透過電子顕微鏡法による微細変形組織の直接観察と密度汎関数理論による転位芯構造の直接解析を通じて, 組成と温度に伴う塑性変形メカニズムの変化を原子レベルで解明し, 力学特性の制御要因を明確化することを目指す. さらに, 高温での変形時に多結晶材料において粒界すべりが発生するため, 結晶粒界の存在が合金の強度および靭性の低下に寄与することが一般的に認識されている. 粒界の影響を排除するため, Ti-Zr-Nbの3成分系平衡状態図を参考にし, 一方向凝固法を用いてTi-Zr-Nb系ミディアムエントロピー合金の単結晶を育成する. 体心立方構造を持つ材料の塑性変形挙動は強い異方性を示すため, 異なる荷重軸方位を用いて単結晶材の圧縮試験を行い, その高温での塑性変形挙動および力学特性の荷重軸方位依存性を調査する予定である.
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